模拟--李正桐

 初涉发明的朋友常常会问：搞发明创造有没有捷径？应该说就思考方法而言，有。这次我们要说的模拟就是一种思考方法的捷径。

 当两个或两个以上的事物具有相似的内在特征的时候，尤其是当它们具有形式相同的数学表达的时候，它们就可以互相模拟，而可以互相模拟的事物在外观上往往毫无共同之处。最常被引用的例子是单摆和正弦函数的模拟关系，这种模拟关系还可以扩展到其它可以用正弦函数来表征的事物，如弹簧振子和LC谐振回路。

 类似的例子可以说俯拾皆是，例如电容器可以模拟蓄水池、压力容器和拉伸弹簧；电感可以模拟惯性质量；电容器储存的电能和运动物体的动能可以互相模拟；电功率和向心加速度可以互相模拟等等。只要平时留心，一定可以发现很多这样的模拟关系。

 为了进一步了解模拟的应用，我们看两个例子。{dy}个例子：前不久圆满完成的我国航天员太空行走，有一个出舱过程，航天员翟志刚转动舱门的开关手柄后即完成了气闸舱内空气的泄放，但打开舱门时仍显得有些费力，而且曾有反复。非技术人员看了这一场景大约不会有什么想法，而我们这些搞技术的出于职业的敏感难免心生疑窦：不是已经泄压了吗，为什么舱门还有阻力？在思考这个问题之前，有一个情况必须首先搞清：从现场录像和照片来看，舱门是向里开的，这样的设计符合“自发生”的设计原则。因为飞船在太空运行时舱内是常压而舱外是真空，采取这种设计会使舱门在内部压力的作用下紧压在门框的密封条上实现自动密封，即使舱门锁紧装置失效也不会使舱门自行开启；反之，如果舱门向外开则会很危险。既然舱门是向里开的，那么只有当内外气压平衡时也就是舱内达到真空时舱门才容易打开。那么打开舱门时究竟是一种什么状态呢？为了更清楚地理解这个过程，我们可以借助电模拟的手段。这对于搞电的朋友尤其便利。

 在本例中，气闸舱可以用电容器来模拟，它的容积对应电容器的电容，它的内部压强对应电容器的电压。减压阀（据报道舱门是靠压紧锁块上的突出物来泄压的，它的效能与减压阀相当）可以用电阻来模拟，阻值与减压阀开启的程度负相关。那么由电容、电阻构成的放电电路就可以模拟气闸舱的泄压过程。从我们熟知的RC放电曲线来看，电压的降落一开始非常迅速，短时间内大部分电荷释放完毕，然后随着电压的降低，电荷的释放失去了动力，过程逐渐趋缓，再趋缓，剩余的电荷虽然很少，但它的释放却需要很长时间，理论上这个过程是永无休止的。比照RC放电过程我们再看气闸舱，同样是一开始空气的泄放非常迅速，然后逐渐趋缓。虽说一段时间以后残余的压强已所剩无几，但加在舱门上的不是压强而是压力，是压强与舱门面积的乘积，即使残余压强降低到常压的200/1，加在舱门上的压力仍有287牛顿之巨，这对于身着笨重航天服且处于失重状态的航天员来说，无疑是一件费力的工作。从这个例子来看，模拟的方法不但有助于我们通过熟知的事物来理解不太熟悉的事物，而且即使为了取得设计参数而作试验，搭接一个RC电路也比动用压力容器简便得多。

 第二个例子，多年前我曾开发过一种手提的商用秤，商用秤不同于家庭主妇买菜用的弹簧秤，它必须达到4级，即1/1000的精度。由于弹性元件存在材料疲劳等影响计量精度的弊病，所以我采用摆作为感测元件，即设法使摆的偏转的角位移成为被称重量的函数，然后通过机械放大机构来显示该角位移的量值。于是问题出现了：由于手提称重时手是难免晃动的，所以摆也要发生附加的晃动，这个晃动被放大以后，指针根本就停不下来，无法读出确切的量值，其扰动的程度远非加大阻尼所能解决的，怎么办？借助它山之石。有一种放大低频信号的差动放大器，它的功能就在于只放大有用信号而屏除因参数飘移所造成的噪声信号或干扰信号。采用模拟的方法，把这个电路的设计原则移植到手提秤的机械装置中，比照两个三极管对称配置的模式，同样采用两个摆对称配置，于是问题迎刃而解，通过了4级秤的检定。

 为什么模拟的方法能取得如此功效呢？这是因为被模拟的事物携带了丰富的、xxx的有用信息，对应地汲取这些信息无疑将简化我们的思考。■